电子论文基于IPV6的网络家电远程控制系统的设计与实现.doc

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1、电子论文-基于IPv6的网络家电远程控制系统的设计与实现.txt12思念是一首诗，让你在普通的日子里读出韵律来；思念是一阵雨，让你在枯燥的日子里湿润起来；思念是一片阳光，让你的阴郁的日子里明朗起来。 本文由烤鸭的幸福贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的设计与实现 张 杰1 张 勇 1 黄道颖 李海燕 2 （1.郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，郑州 450002； 2.河南省农信联社信息科技中心， 郑州 450002） 摘要：文章介绍了网络家电远程控制系统的现状，总结了该系统的局限性，在此基础上，

2、提 出了一种基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的具体实现方案和该方案中远程自动控制的实 现方法，以及实时动态 HTML 网页的生成方法。 关键词：网络；IP v6；家电控制 中图分类号：TP393.09 文献标识码：A 1 Design and Implementation of Network Household Appliances Long-distance Control System Based on IPv6 Zhang Jie1 Zhang Yong1 Huang Dao-ying1 Li Hai-yan2 （1.Computer Science Department, Zh

3、engZhou University of Light Industry,ZhengZhou 450002 2.Science and Technology Center of Henan Credit Society, ZhengZhou 450002） Abstract: The paper introduced based on the Household Appliances long-distance control system model implementation plan, summarized this system limitation, in this foundat

4、ion, studied a realization plan based on the IPv6 Household Appliances long-distance control system and the automatic control implementation method and the born method of the dynamic and real time HTML web. Key words: Network; IPv6; Household Appliances Control 引言 随着整个社会向着数字化发展进程的速度不断加快，Internet 的规模

5、、用户量、业务量 呈指数级增长，现代家庭也将加入“信息化、自动化、网络化”的行列， “通过 Internet 远 程访问由家用电器组成的局域网”已成为未来家庭的一个重要标志。现在使用的 IP v4，无 论从计算机本身的发展，还是从 Internet 的规模和网络传输速率、服务质量（Qos） 、传输安 全性等方面来看，都已经很不适用了，其主要的问题是：一、32bit 的 IP 地址很快就要耗尽， PDA、无线设备、3G 移动电话等新技术的应用，使 IP 地址短缺的矛盾更加激化，甚至汽车、 冰箱都需要一个全球单播地址连到 Internet 中去，专家估计“到 2010 年 IP v4 的地址将全部

6、 用完” ；二、网络的服务质量（Qos）有待提高，以满足用户不断增长的需求。 IPv6 是下一代 Internet 协议，它保留了 IPv4 许多赖以成功的特点，同时具备以下新特 性：一、全新的报文结构，报文头包括固定头部和扩展头部，使路由器在处理协议头时效率 更高。二、巨大的地址空间，128bit 的 IP 地址能使世界上每一个人拥有 5.71028 个 IP v6 地址” ，并且地址配置更加简化。三、对 Qos 更好的支持，IP v6 的包头中有流标签字段，使 路由器可以不打开传送的内层数据包就可以识别流，另外，IP v6 还支持 IPSec，具有邻居发 现协议等。在今后的几年中，IPv4

7、 将逐步被 IPv6 所取代。 如果用 IPv6 技术来构建家电网络和实现家电的远程控制， 可以克服很多 IPv4 的局限性。 因为对 IPv6 而言，可提供的安全水平取决于特定网络和用户的要求，而不会受到技术限制， 可以提供多种层次的安全水平来满足不同用户的需要，另外 IPv6 可以为网络中的每一台家 1 电分配一个或几个全球惟一的 IP 地址，使得在访问家电网络时，可以建立端到端的通信， 并可使用 IPSec 协议进行安全的通信；IPv6 协议还具有非常强大的自动配置能力，使得在家 庭网络中增添支持网络功能的家电设备时几乎不需要做任何配置， 家电设备可以自动完成自 身的 IP 地址等信息的

8、配置，这使得用户可以很轻松地在其家庭网络中引入新的家电设备； 最后， 对家电系统的维护和升级等工作都可以由各生产厂家自行处理， 即方便了用户的使用， 也方便了厂家的在线维护和管理。因此，使用 IPv6 的地址及数据传输技术实现家电网络的 数据传输和远程控制是家电远程控制系统的未来发展方向。 2 网络家电远程控制系统的组成 2.1 网络家电远程控制系统的现状 在 IPv4 网络中，由于 IP 地址的匮乏，以及各类家电的控制和状态信息组织机制与网络 中数据的组织机制有很大差异， 必须在二者之间进行数据的转换， 因此在家庭局域网中设置 应用网关将具备网络功能的家电组织成一个局域网，应用网关是网络家电

9、的控制中心，图 1 是网络家电控制系统的结构示意图。 家电局域网通过应用网关接入广域网， 应用网关将应用 请求发送给计算机或相应的家电， 获取数据， 并将数据格式转换成计算机网络或家电所要求 的格式，从而实现通过 Web 浏览器远程 家庭网络控制中心应用网关 控制家电运行和查看家电运行状态的功 Internet 嵌入式主机板 网 能。 访问服务器 微处理器 络 内存 接 应用网关的硬件平台由嵌入式主机 硬盘接口 口 板、 微处理器、 无线通信模块、 微型 HUB 串 以太网口 无 线 行 串并行接口等 及微型 Modem 组成。其中，无线通信 通 信 接 无线收 控 制 模块通过异步串行通信实

10、现与多个网络 口 发模块 接 口 家电控制器的连接，微型 HUB 和微型 板 Modem 可以使用户通过不同的方式接 入 Internet，如拨号、宽带网等。 家电 无线收 家电 无线收 在应用网关中配置 WWW 服务器、 控制器 发模块 控制器 发模块 Sendmail 服务器、防火墙等，WWW 服 图 1 网络家电控制系统的结构示意图 务器中有访问各个家电的 Web 页， 可以 使用户通过 Web 浏览器远程访问应用网关， 实现对家电的远程监控； 用户可以通过 Sendmail 服务器向指定的 E-mail 邮箱收发邮件， 技术人员可以通过 Sendmail 服务器了解家电的故障； 防火墙

11、用于过滤数据包，与系统中的多级认证体系相配合保证应用网关的安全性。 在这种实现模式下，虽然可以方便的构建和管理家庭局域网，使家庭中的家电（包括计 算机）通过一个 IP 地址接入 Internet，并能运用防火墙技术、多级安全验证机制等手段，保 证家庭局域网的安全性。但由于各类家电的控制信息和状态信息、要求的数据格式、控制机 制和组织结构等都不相同，这种集中控制模式具有很大的局限性。首先如果要增加家电，必 须增加相关通信协议， 即对控制系统的维护需要有一定的专业知识， 不方便技术维护和用户 的使用；其次，由于应用网关在体积和系统结构等方面都要求尽可能的小，受存储容量和响 应速度的限制，不可能有大

12、量色彩丰富、形象逼真的 Web 页面；另外，在家电网络控制无 线通讯中没有统一的标准。 2.2 基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的整体设计 IPv6 的地址空间允许每一个网络家电具有一个 IP 地址，即每个网络家电设备都可以认 为是网络中的一个节点，通过无线网卡与家庭局域网相连，并接入广域网。图 2 是基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的结构示意图， 网络家电通过无线网络接入点组成家电局域网， 并 接入 Internet，而“家电信息管理中心” 代替了原有的“家电网络控制中心” ，与网络家电 具有同等的地位， 其功能是对家电局域网的用户和网络家电的地址进行管理， 同时对家电的 电源开

13、启进行管理，也可以将它看成是一个具有网管功能的网络家电。 由于嵌入式系统的功能不断增强，嵌入式系统的处理能力和存储容量也有了很大的提 高，结合 IPv6 协议和网络家电的特点，并考虑到家庭网络用户使用网络家电的方便性和实 用性，在网络家电的嵌入式控制系统中，配置 WWW 服务器、Sendmail 服务器、防火墙等 网络服务，WWW 服务器中包含 Internet 有 家 电 自 身 管 理 和 控 制 的 Web 无线 页，使用户可以通过 Web 浏览器 接入点 实现对家电的远程监控， 并能随时 与厂家互动；用户可以通过 无线 家电信 无线 网络 无线 网络 Sendmail 服务器向指定的

14、E-mail 网卡 息管理 网卡 家电 网卡 家电 邮箱收发邮件， 技术人员可以通过 中心 Sendmail 服务器了解家电的故障， 图 2 基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的结构示意图 并可以通过 Web 浏览器对故障点 进行在线测试和维护； 防火墙用于 保证家电自身的安全性。 2.3 基于 IPv6 的网络家电远程控制系统的访问流程 用户通过 Web 浏览器远程访问自己家庭的家电信息管理中心，经过管理中心的用户验 证后，调用家庭的网络家电列表，以 Web 页的形式送给客户端，客户在家电列表中选择要 控制的家电后，管理中心调用电源管理模块，开启被选中家电的电源，启动家电，家电启动 完毕

15、后，管理中心根据地址列表，将客户端的 Web 浏览器链接到家电嵌入式控制系统中的 WebServer，管理中心的任务结束，客户端直接访问家电的 WebServer 中的管理、控制、状 态等页面，实现对网络家电的远程监控。由于是使用继电器组实现的电源管理，所以访问结 束时，家电内部电源断开，使管理中心控制的继电器组的相应组合断开，实现家电外接电源 的断开。 3 网络家电远程控制系统的实现 3. 1 家电信息管理中心的实现与实时动态 HTML 网页的生成 家电信息管理中心主要包括家庭局域网用户管理、网络家电管理、电源管理三个模块， 家庭局域网用户管理模块实现用户的增加、 删除和访问权限的分配， 在

16、访问权限中有拒绝访 问、查看家电状态、控制家电运行、完全访问等多个级别。网络家电管理模块实现家电设备 的添加和删除、IP 地址的分配管理及生产厂家的信息等。电源管理模块实现将被选中的家 电编码后发送给外部译码器，控制继电器组的通断，接通家电的电源，并在家电启动后反馈 信息。 当用户通过 Web 浏览器对网络家电进行状态查询或更新设置时，嵌入式 Web Sever 需要 根据实时采集的数据生成家电状态的实时动态的 HTML 网页，具体实现步骤如下： 一、规划网页，制作静态部分；即根据显示要求将 HTML 网页的内容组织规划好，将 其分为静态和动态两部分，完成静态部分的制作，形成目标文档。 二、加

17、动态标记；在文档中需要实时显示的位置加入动态标记，并统计标记个数。 三、采集实时信息；用 CGI 程序收集实时动态数据，并转换为网页所需动态信息。 四、发送网页；用 CGI 程序逐字节读出 HTML 目标文档的内容，并输出至标准输出， 当遇到动态标记时，将对应的动态信息输出。重复此过程直到文件结束符。 3.2 并发通信的解决方案 进程 A 通信进程 C 进程 B 无论是在家电信息控 制中心，还是在网络家电的 请求与 C 的 控制中，都涉及到并发通信 send 区通信 问题，即当一个进程正在与 测试 send 通信进程进行通信时，其它 send 锁=00 进程也要求与通信进程通 加锁 信，则通信

18、进程成为临界资 send 锁=PID(A) 源，引发并发通信操作。通 常对临界资源并发操作可 A 与 C 通信，写入 使用 P、V 操作解决。但 P PID(B)和通信内容 操作的循环慢且性能较低， 而在网关中各进程的 PID 唯 一，所以可在系统中采用 若 receive 测试字节=00， PID 与 P、 操作方法结合来 V 则将 PID(B)写入测试字 确定通信进程的使用，下面 节，将通信内容写入 以进程 A 发数据给进程 B 为 receive 区，send 锁=00。 例说明其具体实现方案。 触发进程 B 如图 3 所示，通信进程 接收数据 C 具有 send 和 receive 两

19、个 从 receive 区， send 区接收进程 A 发送 区读数据 的数据，receive 区将数据 清测试字节为 00 传送到进程 B。当进程 A 请 清测试字节=00 求与通信进程通信时，首先 查看 send 区的锁状态是否 图 3 并发通信访问示意图 为 00，若是，则加锁，即将 进程 A 的 PID 写入 send 区的锁字节，再触发通信进程将通信内容和进程 B 的 PID 一起接收 到共享存储区；若不是，则说明已有其它进程正在与通信进程 C 的 send 区通信，进程 A 进 入等待队列。当通信进程处理完 send 区后，查看 receive 区的测试字节是否为 00，若是则 将

20、接收到的 PID（B）写入测试字节，即加锁，通信进程将对应的通信内容传送到 receive 区，将 send 区的锁状态清为 00，再触发具有测试字节中的 PID 的进程(进程 B)接收通信内 容，最后将测试字节清为 00；若不是，则说明有其它进程还没有将数据从 receive 区中完 全取出，等待测试字节清为 00 后，再向 receive 区写入。当多个进程等待接收通信内容是， 只需等到 receive 区的测试字节中与自身的 PID 相匹配的通信进程的到来即可。 结论 本系统的创新点是：一、在网络家电的访问控制中完全采用网络通信，不再使用串行口 和其它无线收发模块；二、实现了家电电源的远

21、程控制管理；三、在网络家电的远程监控和 在线维护中直接使用端到端的访问；四、克服了原有家电网络控制的局限性，增强了家电网 络访问的安全性。 通过本系统对网络家电系统的维护和升级等工作都可以由各生产厂家自行 完成，即方便了用户的使用，也方便了厂家的管理。 参考文献： 1 T.Narten,E.NordMark,W.Simpson,Neighbor Discovery for IP Version 6(IPv6),RFC 4 2461 ,December 1998. 2 OSGI. Open Services Gateway Initiative Specification Overview. 2

22、000 3 Gillign R,Nordmark E;RFC1993:Transition Mechanisms for Ipv6 Hosts and Routers;1996-04 4 Deering S,Hinden R; RFC2460:Internet Protocol,Version 6 Specification.1995-12 5 怀石工作室 LINUX 上的 C 编程M.北京：中国电力出版社，2000.319386 6 蔡奇玉，连振汉等 CGI 编程指南M.北京：机械工业出版社，1997.224238 7 宋健，王玉瑛，孙为 IPv6 网络应用 IPSec 策略的网络性能分析与研究J，微计算机信 息，2004（1）101103 张 杰（1972- ） ，讲师，硕士。研究方向网络体系结构 张 勇（1967- ） ，讲师，研究方向数据传输与智能控制 河南省杰出青年科学基金（项目编号：0112001500） 524220038） 郑州轻院校内基金 河南省科技攻关项目（项目编号：1